作者:卜叶 来源:中国科学报 发布时间:2020/9/25 9:51:59
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从愿景到应用:6G落地尚需更多突破

 

从第一代移动通信技术(1G)到第五代移动通信技术(5G),移动通信系统大约每十年更新换代一次。2019年5G实现商用,业内专家预计第六代移动通信技术(6G)将在2030年左右走向应用。目前,美国、日本、韩国等多个国家已经宣布开展6G相关研究。

“6G实现应用前要经过愿景讨论、基础理论与关键技术研究、技术指标与标准制定、产品研发及网络测试等,目前我国在太赫兹通信技术、智能网络、大规模无线接入技术、去中心化服务架构等6G潜在技术相关方向都开展了研究,但距离6G落地还需要突破更多理论和技术突破。”北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室网络服务基础研究中心副主任乔秀全教授告诉《中国科学报》。

未来,6G将在哪些领域率先实现应用,还需要做哪些技术准备?为此《中国科学报》采访了6G研究一线的专家。

实现全球网络覆盖

5G实现商用前,移动通信网络一直采用蜂窝网络架构:一个个六边形的小区组成蜂窝状的网络,以频率复用的方式,降低终端功率,提升系统容量。这样的蜂窝网络虽然扩大了覆盖范围,但也使得频谱管理和用户接入变得更加复杂,降低了频谱效率,造成了功率浪费。

进入5G时代,为了提高传输速率,业界专家将目光投向更高、更强的毫米波频段,但毫米波频段在空间中的传播距离较短,因此需要建设更多的基站。如果这种趋势一直持续,届时6G采用太赫兹频段时,基站的密集程度将达到前所未有的水平。

之江实验室科研发展部部长、智能网络研究中心副主任赵志峰介绍,虽然可以用频谱上移的方法扩展5G和6G所需带宽,也就是使用毫米波太赫兹等高频谱和小基站的发展路线,但有可能引起信号覆盖不足、基站建设成本大幅增长等问题。

人类居住密集区之外的极地、荒漠、海洋长期以来是网络覆盖的“贫瘠”地区。为了解决这一问题,天地一体化网络和卫星互联网的研发正如火如荼地进行。赵志峰指出,这两项技术存在终端能耗高、适配手持移动终端研发难的问题,且现有技术尚未解决网络覆盖到水下、太空和人体内部等问题。可以说,万物互联和泛在网络仍面临巨大技术挑战。

乔秀全认为,5G+卫星网络可以实现更广覆盖范围的通信(如飞机上、沙漠里、大海上的网络连接),但依然无法解决深海等复杂水下环境的网络通信问题,依然难以实现网络全球无缝的覆盖,探究网络覆盖扩展与天地融合技术或是解决方法之一。

以实现深海通信为例,他介绍,海底通信需要依靠在海底布置通信设备,还有些设备是在海水中动态漂浮,,这些设备会与过往的船只等进行动态的聚合,“碰头”后自主组织成新网络,从而实现动态化的海洋通信。

“海底通信设备不同于陆地基站,需要根据海洋特殊环境进行设计;陆地上的6G基站与5G基站也不同,但6G时代的到来并不意味着一夜之间全部替代原有基站,网络的演进都需要一个过程,将是一个逐步进行替换、平缓过渡的过程。”乔秀全说。

总而言之,6G并非5G与卫星网络的简单相加,6G实现的全球网络覆盖要求更多技术的融合和创新。

更丰富的应用场景

5G之前的通信技术的应用大多停留在用户消费层,然而,“未来5G、6G将重点实现行业和产业化应用”,乔秀全认为,煤矿等特殊作业环境中,5G已经展现出从地下向地面高速传输高清视频数据和大量物联网传感信息的优势,随着6G传输速度的进一步提高,通信技术的产业应用将更普遍,甚至成为“刚需”。

5G时代,终端和基站之间通信的接口时延降低至1毫秒,端到端的时延低至10毫秒,但依然难以达到工业互联网对时延的严苛要求,即端到端时延0.1毫秒,拆分到终端,时延为0.02毫秒。赵志峰指出,虽然极简协议、极少存储转发和极少转换等方案一定程度上解决了部分时延问题,但通信领域的整体技术体系还面临挑战,需要对终端的软硬件和网络的接入进行重新设计,否则工业互联网等场景对网络的应用需求仍然难以解决。

6G或可加速、催生一批新应用,之江实验室智能网络研究中心高级研究专家余显斌介绍,自动驾驶就是其中之一。全球数百万联网的自动驾驶汽车在6G网络下协同运行,将使运输和物流更加高效;同时,6G时代将实现厘米级的精准定位,与不断发展的感应、成像等技术集成,将催生海量新应用。

进入6G时代,“虚拟现实(VR)、增强现实(AR)等技术将通过可穿戴显示器、传感设备、网络与人类感官无缝集成,甚至替代智能手机的一部分功能,成为人类娱乐、生活和工作的主要工具。”余显斌说。

乔秀全举例,远程全息通信技术在6G时代可以通过实时捕获、传输和人体数字模型渲染技术,将身处不同地方的人的3D全息模型传送给对方的AR眼镜,使用户实现超时空交流沟通。“超时空交流让人们不仅拥有视觉、听觉,甚至随着触觉互联网的发展,进一步还可以拥有触觉、味觉、嗅觉等。”

乔秀全等在近日发表的一篇有关6G愿景的论文中提到,未来6G网络将是一种AI驱动的去中心化的网络和服务架构,6G的特点可以简单概括为“泛在覆盖、泛在智能、泛在服务”。北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室网络管理研究中心主任李文璟也认为,未来6G应用的特点将会是全息、全感官、虚实结合、智能化。“对算力的要求是6G有别于此前其他通信技术的明显特点。”。

去中心化的网络和服务提供架构

5G的网络架构中,要实现计算,任务需要在终端、基站、云中心/数据中心“跑一圈”,难以满足用户即时即刻的要求。

李文璟介绍,基于当前的网络架构,全息通话、全感官通信等业务将面临较长的延时,大大降低了用户体验感。为了解决这一问题,课题组提出“计算泛在化”的思路,并开展了“算网融合”的研究。

“计算任务的下放意味着任务的迁移,要求终端设备间要具有识别可用设备和计算协作的能力。同时,这或将直接降低终端设备的体积,更有利于新一代通信技术的应用,比如未来的AR眼镜将变得和我们现在的眼镜一样轻薄,计算任务通过网络和用户周边的计算设备来协作完成,从而在6G时代AR眼镜成为取代我们现在的手机,成为新一代虚实融合的移动通信终端。” 乔秀全说。

李文璟强调,计算任务下放并不意味着所有的计算任务都会分配到终端,任务的分配取决于业务需求以及任务和算力的匹配度。为支持任务与算力的匹配,算力的度量指标和度量方法是首先需要研究的内容。

此外,复杂任务分配的过程将伴随着任务的分解,即将业务分解成若干子任务,而后分发给不同节点进行计算。“这一过程中,需要解决算力调度和安全问题。” 李文璟说。

面对这种新型的泛在协作计算场景,乔秀全表示,现有的中心化的B/S、C/S应用提供架构将难以满足这种需求,因此,需要探索一种新型的去中心化的应用服务提供架构,满足未来6G网络中节点动态自组、异构计算环境、资源受限、服务动态协同的Peer-to-Peer/Many-to-Many的去中心化的无服务器的应用提供模式,从而实现“信息在网络中分布式存储、服务在网络中动态迁移、网络节点自主动态协同”的目标。

另外,赵志峰表示,现有的移动通信网络较为封闭,缺乏体系化的内生安全设计。同时,通信安全设计局限于用户认证、计费和通信加密,缺乏应对5G时代安全风险的对策。6G时代需要将计算机网络的安全体系与移动通信的安全体系进行融合,不仅要解决用户的认证问题,还要解决安全问题。

 
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